棉秆炭化还田对棉花生长及土壤理化特性的影响

刘会芳，唐光木，孙宁川，秦蓓，冯雷，徐万里

(1.新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所，乌鲁木齐 830091；2.新疆农业科学院园艺作物研究所，乌鲁木齐 830091)

0 引 言

【研究意义】秸秆还田是促进农业可持续发展的有效方式[1]，可有效培肥地力，改善土壤结构和理化性质，提高土壤保水保肥能力，优化农田生态环境[2-7]，同时增加土壤N、P、K和微量养分含量，提高作物产量[8]；但秸秆还田存在肥效缓慢、化感物质积累、病虫害风险加重、重金属和抗生素等的污染风险。棉秆炭化还田技术的出现则在解决了废弃生物质资源利用的难题的同时克服了秸秆还田等利用形式所带来的弊端，优越性明显。【前人研究进展】目前对秸秆直接粉碎还田方式的研究主要集中在还田量、翻埋程度等方面，缺少对秸秆处理方式、适宜还田量和时序性等的研究[9]。相对秸秆直接粉碎还田，有机肥还田能够有效的增加旱地玉米产量并增加土壤含水量[9]。秸秆有机肥还田不仅增加了土壤养分，降低了盐碱地的盐分，还降低了土壤容重，改良了土壤结构，活化了土壤微生物[10]。炭化还田是近年来的研究热点，秸秆炭化后生成的生物炭(biochar)是生物质在缺氧或有限氧气供应和相对较低温度下(<700 ℃)热解得到的富碳固体产物，由于具有多孔性、高阳离子交换量和低容重，能改善土壤的理化性质、提高微生物多样性，在土壤性状改良、环境污染修复、节能减排等方面发挥着重要作用[11-14]。秸秆炭化后还田不仅能够改善土壤理化性质，也能够活化土壤中的微生物，对作物增产也有一定促进作用[15-18]。【本研究切入点】以炭化还田为研究对象，通过移除秸秆(不还田)、秸秆粉碎还田、有机肥还田等方式的对比试验，研究不同还田方式尤其是炭化还田对棉花生理生长、产量及土壤容重、含水量的影响。【拟解决的关键问题】提炼适合新疆棉花秸秆还田的技术，规避棉花秸秆还田的负效应，为棉花秸秆炭化还田提供技术支撑和理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2015年在新疆生产建设兵团农八师炮台镇土壤改良试验站进行，农八师垦区地处天山北麓中段，古尔班通古特大沙漠南缘，E84°58'～86°24'，N43°26'～45°20'，属内陆干旱半荒漠气候，具有夏热冬寒，昼夜温差大，降水量少，蒸发量大，日照长，光热资源丰富的特点。该区土壤类型为风沙土，pH 8.4左右，有机质含量1.378 g/kg，速效氮、磷、钾含量分别为7.4、4.6和53 mg/kg。播种前将微区生长层土壤挖出，与生物炭、肥料等拌匀，再回填入各自小区。种植作物为棉花品种为新陆早45号。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

采用膜下滴灌栽培模式。根据新疆棉花秸秆主要还田方式直接粉碎还田、炭化还田以及有机肥还田等方式，设置田间微区试验，试验共设计8个处理，3次重复(1次假重复)，共16个微区，分别为：1、常规氮磷钾处理+秸秆移除(CK)；2、氮磷钾+秸秆全部还田(S)；3、氮磷钾+有机肥还田(M)，1.5 t/667 m2；4、氮磷钾+炭化还田(1.5Bc)，棉秆炭1.5 t/667 m2；5、氮磷钾+有机肥+棉秆炭(MBc)，有机肥1.5 t/667 m2，棉秆炭1.5 t/667 m2；6、氮磷钾+炭化还田(3.0Bc)，棉秆炭3 t/667 m2。微区面积16 m2(4 m×4 m)。

1.2.2 测试指标

棉花生长中期测定株高、茎粗、叶长、叶宽等形态指标；吐絮期测定棉花产量和干物质积累量，同时采集土壤样品，测定土壤含水量和容重。

1.3 数据处理

采用Excel软件对数据进行整理，采用SPSS16.0软件对各处理间数据进行显著性差异分析，作图采用Excel软件。

2 结果与分析

2.1 秸秆不同还田方式对棉花生理生长的影响

研究表明，不同还田方式对棉花的株高影响效果不同。与CK相比，S、M、MBc三个处理显著的增加了棉花的株高，其中M处理增加幅度最大，达到16.33%；其次是MBc和S处理，株高分别增加8.89%、6.78%；1.5Bc和3.0Bc则降低了棉花的株高，分别降低了2.94%、2.00%，其中1.5Bc降低幅度达到显著差异水平。其中，M、1.5Bc、MBc与3.0Bc四个处理相比，M处理的株高显著高于MBc处理6.83%，后者又显著高于1.5Bc和3.0Bc两个处理，分别高出12.19%、11.11%，仅炭化还田的两个不同施用量处理之间则无显著差异，3.0Bc处理比1.5Bc处理的株高增加了0.97%。秸秆直接还田、有机肥还田及其与炭化还田的配合处理均能够显著的促进棉花植株的株高生长，以仅有机肥还田方式效果最好；仅炭化还田则一定程度的抑制了棉花株高的生长，1.5 t生物炭的施用对棉花株高的抑制作用显著。图1

注：图中小写字母表示处理间差异显著性(P<0.05)。下同

Note：The different letters mean significant difference atP<0.05.The same as below

图1 不同还田方式下棉花株高变化
Fig.1 Effects of different way of returning cotton straw to the field on plant height

研究表明，与CK相比，S、M、MBc和3.0Bc处理均显著的增加了棉花的茎粗，其中S和MBc处理增加幅度最大，分别为13.41%、11.86%；M和3.0tBc处理增加也显著的增加了棉花的茎粗6.86%、5.43%；1.5Bc则显著的降低了棉花的茎粗5.01%，达到显著差异水平。其中，M、1.5Bc、MBc与3.0Bc四个处理相比：MBc处理条件下，棉花的茎粗显著高于其余三个处理，分别高出4.68%、17.76%、6.10%，说明有机肥还田与炭化还田的结合比二者单独还田更能有效的促进棉花的茎粗生长；1.5Bc和3.0Bc两个处理相比，随着炭化还田的炭施用量增加，棉花的茎粗显著增加，说明高量的生物炭能够促进棉花茎粗的生长。与CK相比，各处理均显著的增加了棉花叶片的叶长和叶宽，增加幅度不一，变化趋势相似。其中叶长以MBc处理最大，达到11.82%，叶宽以S处理最大，达到13.29%；其中，M、1.5Bc、MBc与3.0Bc四个处理相比，叶长和叶宽的变化趋势一致，MBc>3.0Bc>M>1.5Bc，相邻两处理的叶宽差异均达到显著水平，说明四个处理均能够有效的促进棉花叶片的生长，以MBc处理对棉花叶片生长的促进最为明显。秸秆直接还田也能较明显的促进棉花叶片的生长。图2，图3

图2 不同还田方式下棉花茎粗变化
Fig.2 Effects of different way of returning cotton straw to the field on stem diameter

研究表明，与CK相比，各处理均显著的增加了棉花叶片的叶长和叶宽，增加幅度不一，变化趋势相似。其中叶长以MBc处理最大，达到11.82%，叶宽以S处理最大，达到13.29%；其中，M、1.5Bc、MBc与3.0Bc四个处理相比，叶长和叶宽的变化趋势一致，MBc>3.0Bc>M> 1.5Bc，相邻两处理的叶宽差异均达到显著水平，说明四个处理均能够有效的促进棉花叶片的生长，以MBc处理对棉花叶片生长的促进最为明显。秸秆直接还田也能较明显的促进棉花叶片的生长。图3

图3 不同还田方式下棉花叶长和叶宽变化
Fig.3 Effects of different way of returning cotton straw to the field on leaf length and width

2.2 不同还田方式对棉花产量和干物质积累的影响

研究表明，与CK相比，各处理棉花植株的地上、下部干物质积累量变化不同，地上部以3.0Bc处理增加幅度最大，达到34.94%，其余依次为MBc(19.97%)、M (18.30%)、S(3.83%)，1.5Bc(-1.50%)，其中M、MBc和3.0Bc三个处理达到显著性差异水平；地下部以S处理增加幅度最大，达到62.92%，其余依次为3.0Bc(37.57%)、M(20.49%)，1.5Bc(-16.78%)、MBc(-1.43%)，其中S、M、3.0Bc三个处理提高幅度达到显著性差异水平，1.5Bc处理降低幅度达到显著性差异水平，MBc则无显著性差异。M、1.5Bc、MBc与3.0Bc四个处理相比，以3.0Bc处理对棉花植株的干物质积累量提高幅度最大，说明3.0t生物炭的施加能够明显促进棉花植株的干物质积累，且效果最明显。图4

图4 不同还田方式下棉花生物量变化
Fig.4 Effects of different way of returning cotton straw to the field on biomass

与CK相比，以M、MBc和两个处理对产量的提高幅度最大，分别为43.06%、37.01%；其次是1.5Bc和3.0Bc两个处理，均显著增加了棉花产量，分别达到了18.15%、30.25%，随着炭化还田量的增加，产量显著增加。最后，S处理则降低了棉花的产量，降低了22.06%，达到显著差异水平。M、1.5Bc、MBc与3.0Bc四个处理相比，产量高低顺序为：M>MBc>3.0Bc>1.5Bc，说明仅有机肥还田处理的增产效果最好，MBc次之，1.5Bc增产效果最差。图5

图5 不同还田方式下棉花产量变化
Fig.5 Effects of different way of returning cotton straw to the field on yeild

2.3 不同还田方式对土壤物理性质影响

研究表明，饱和含水量：与CK相比，M、1.5Bc、MBc和3.0Bc处理显著的增加了土壤的饱和含水量、增加幅度分别为4.96%、7.10%、8.01%、11.03%；S处理则没有达到显著差异水平。田间持水量：与CK相比，M和3.0Bc两个处理显著的增加了土壤的田间持水量，分别增加了5.66%和10.02%；S和MBc处理则显著的降低了土壤的田间持水量，分别降低了7.40%和5.53%，1.5Bc处理则与CK无显著性差异。自然含水量：与CK相比，M、1.5Bc和3.0Bc三个处理显著的增加了土壤的自然含水量，分别增加了3.79%、4.62%和7.58%，S和MBc处理与CK差异不显著。综合其中M、1.5Bc、MBc与3.0Bc四个处理相比，3.0Bc处理的三个指标均显著高于其它三个处理，3.0t生物炭的施用能够显著的提高土壤保水性。图6

研究表明，与CK相比， 各处理的土壤容重均呈现出降低的趋势，其中以3.0Bc处理的土壤容重下降幅度最大，达到4.77%。其中，M、1.5Bc、MBc与3.0Bc四个处理相比，表现趋势为M处理的土壤容重显著高于1.5Bc，显著高于MBc，显著高于3.0Bc。四个处理均能够显著的改善土壤物理性状，其中以3.0t生物炭的施用效果最明显。图7

图6 不同还田方式下土壤含水量变化
Fig.6 Effects of different way of returning cotton straw to the field on the water concent of soil

图7 不同还田方式下容重变化
Fig.7 Effects of different way of returning cotton straw to the field on the Bulk density

3 讨 论

研究表明，秸秆直接还田、有机肥还田、有机肥与炭化还田结合等不同处理不同程度的促进了棉花株高和茎粗的生长，其中有机肥还田对其促进作用最明显，而单一炭化还田的两个处理则没有表现出促进作用。叶片是植物生产过程中物质积累与生理代谢的基本单元，也是分析环境因素影响作物生长和代谢的重要手段。这一过程受作物本身的遗传特性和环境条件的共同制约。有研究表明，秸秆还田可以显著增加玉米单株叶面积，显著提高玉米叶片的光合速率[9]。研究表明，各处理均能促进棉花叶片叶长和叶宽的生长，且叶长和叶宽的变化趋势一致。其中秸秆还田、有机肥还田与炭化还田的配施对棉花叶长和叶宽的促进作用最明显，其次是1.5t生物炭的施用。说明不同还田处理均能促进棉花的生长，为丰产奠定基础。

研究结果显示，棉花干物质积累量与棉花产量变化趋势基本一致。其中，有机肥还田、有机肥还田与炭化还田结合对棉花的产量以及干物质积累量的促进作用最明显，其次是单一生物炭还田的不同量处理，最后是单一秸秆还田。这和李玮[19]等的研究结果一致，短期内的秸秆还田有降低产量的趋势。解文艳等[9]则表明，秸秆有机肥还田以及直接粉碎还田均能提高玉米的产量，以有机肥还田提高幅度较大。另有研究表明，但生物炭可以促进玉米[16]、水稻[17]等作物的生长，这和研究结果一致。大量研究结果表明，秸秆还田、有机肥还田等还田措施能够提高土壤保水保肥性，降低土壤容重。研究结果也表明，秸秆还田、有机肥还田、有机肥还田与炭化还田结合，单一炭化还田等方式均提高了土壤含水量、田间持水量与土壤饱和含水量等，降低了土壤容重。不同秸秆还田方式均能改善土壤理化性质。

4 结 论

秸秆的不同还田处理均能够通过促进棉花的生长，达到增产的目的，并能改善土壤理化性质，其中株高、茎粗、叶长和叶宽的增加以有机肥还田、炭化还田及其配施最大，分别增加了8.89%、11.86%、 11.82%、11.39%。产量则以有机肥还田、有机肥还田与炭化还田的结合两个处理对产量的提高幅度最大， 分别为43.06%、37.01%，其次是1.5Bc和3.0Bc两个处理，均显著增加了棉花产量，分别达到了18.15%、30.25%；地上部干物质积累以3.0t炭化还田处理提高幅度最大，达到了34.94%，地下部以秸秆直接粉碎还田提高幅度最大，为62.92%；土壤性质则以3.0tBc处理对土壤饱和含水量和田间持水量的增加幅度以及对土壤容重的降低幅度最大， 分别达到了11.03%、10.02%、4.77%。秸秆炭化还田能够有效的促进棉花生长，增加棉花干物质积累，提高产量，改善土壤性质。